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        放空火炬冒黑煙問題原因深度剖析

        2016-05-30 21:15:35隋先富王玉張嶺
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:黑煙乙炔火炬

        隋先富 王玉 張嶺

        摘 要:海上平臺(tái)放空火炬有時(shí)發(fā)現(xiàn)有冒黑煙現(xiàn)象,帶來了環(huán)保隱患。如何治理黑煙成為很多油田面臨的重要課題。該文從天然氣組分和燃燒機(jī)理分析出發(fā),深度剖析了天然氣不完全燃燒的原因,并結(jié)合海上油田現(xiàn)狀給出了改善建議。

        關(guān)鍵詞:黑煙 火炬 乙炔 天然氣組分

        中圖分類號(hào):TE96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2016)04(a)-0057-03

        黑煙是燃料燃燒不充分時(shí)產(chǎn)生的固態(tài)碳顆粒的宏觀表現(xiàn)形式[1]。

        天然氣由于燃燒不充分引起冒黑煙問題是人們的一個(gè)共識(shí),但是為什么會(huì)燃燒不充分?產(chǎn)生黑煙的一般條件是什么?如何解決?仍然存在一些認(rèn)識(shí)上的分歧,進(jìn)而給油田現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙現(xiàn)象帶來了困惑。該文嘗試梳理清楚黑煙問題的真實(shí)原因,從而為現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙問題提供有用的參考。

        1 黑煙成因概述

        通常理解燃燒不充分的原因是供氧不足或者重組分含量偏高[2-8];也有學(xué)者認(rèn)為,炔烴的存在才是引起黑煙現(xiàn)象的根本原因[9],其他解釋報(bào)道較少。具體到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝上,可以歸納為以下幾點(diǎn)。

        (1)由于油氣分離器分離效率下降,造成油氣分離不凈,天然氣攜帶原油和重?zé)N液滴進(jìn)入火炬放空系統(tǒng)。

        (2)原火炬放空管線內(nèi)積液太多。

        (3)放空量超過原火炬放空能力。

        (4)火炬放空氣熱值不足,火炬放空氣至少需具有7 500~9 300 kJ/m3的熱值才能完全燃燒,否則,必須另外補(bǔ)加燃料。

        (5)火炬頭設(shè)計(jì)缺陷,火炬氧氣供給不足,導(dǎo)致燃燒不充分。

        其中文獻(xiàn)[9]中,作者就乙炔引起黑煙的觀點(diǎn)進(jìn)行了分析。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn),從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上做了更深入的研究,作者通過觀察甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及汽油(C5-C9烷烴)氣化燃燒的現(xiàn)象,證明空氣中燃燒烷烴不會(huì)發(fā)生黑煙現(xiàn)象;換言之,高碳組分并不是產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象的充分條件亦非必要條件。

        而通過對(duì)比乙烷、乙烯和乙炔的燃燒發(fā)現(xiàn),乙烯有輕微黑煙,乙炔有較濃的黑煙現(xiàn)象;初步判斷了產(chǎn)生黑煙問題的主要原因是炔烴的存在。而通化學(xué)鍵鍵能的分析,指出,本質(zhì)原因是炔烴不飽和化學(xué)鍵的存在,使得其反應(yīng)速率超過其他烴類,從而引起黑煙。

        2 炔烴產(chǎn)生的條件

        文獻(xiàn)[9]中描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為發(fā)現(xiàn)黑煙的真實(shí)原因提供了重要線索,那么天然氣放空燃燒過程中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生炔烴?條件又是什么?

        按照這個(gè)思路,筆者又進(jìn)行了深入調(diào)研,從工業(yè)制乙炔的工藝技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了一些有用的信息。

        利用天然氣制乙炔是一項(xiàng)規(guī)?;瘧?yīng)用的技術(shù),很多文獻(xiàn)[10-15]都有描述。

        主要工藝有3個(gè):天然氣部分氧化法、電弧法和等離子射流法,其中部分氧化法是應(yīng)用最多,規(guī)模最大的一項(xiàng)工藝。

        其機(jī)理就是通過甲烷與氧氣高溫化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物有C2H2、CO2、CO、H2、C和H2O,而C2H2屬于一種中間產(chǎn)物,需要迅速冷卻、收集,否則很快就能進(jìn)一步分解為C和H2;而固體碳顆粒幾乎是反應(yīng)過程中無法避免的副產(chǎn)物。天然氣在反應(yīng)室中于1 500 ℃高溫下化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        天然氣在空氣中燃燒溫度最高能夠達(dá)到2 300 ℃,在氧氣中燃燒最高能夠達(dá)到3 400 ℃,因此,對(duì)于放空火炬的天然氣而言,完全能夠?qū)崿F(xiàn)1 500 ℃的溫度要求,另外對(duì)于火炬燃燒來講,為防止炭黑生成的“迅速冷卻”條件,一般不具備,所以平臺(tái)火炬放空過程中產(chǎn)生中間物乙炔一般是難以避免的,而碳顆粒的產(chǎn)生也是難以避免。

        3 重組分含量的影響

        關(guān)于重組分含量與黑煙之間是否有必然聯(lián)系存在一定的爭(zhēng)議,文獻(xiàn)[2]中明確指出重組分含量超過6%是發(fā)生黑煙的一個(gè)臨界值。雖然文獻(xiàn)[9]給出了不同的觀點(diǎn),但是考慮文獻(xiàn)[9]中的實(shí)驗(yàn)條件的局限性,重組分含量高的天然氣燃燒時(shí)是否通過其他的途徑帶來黑煙或者引發(fā)生成黑煙的條件并無法確定。從油田現(xiàn)場(chǎng)的宏觀顯現(xiàn)看,重組分含量問題引起黑煙的可能還是存在的。文獻(xiàn)[2]給出的案例是例證之一,而海上油田監(jiān)測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)也是另外一個(gè)例證。

        表1和表2分別為渤海JZ1油田和JZ3油田的天然氣組分取樣數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出JZ1油田天然氣組分重組分(C3+)含量總體較高,最大含量30.42%,最小5.18%,平均11.2%;而JZ3天氣然中重組分含量較低,多在2%以下。

        JZ1投產(chǎn)初期,放空量為0.265 7萬方/d,火炬偶爾產(chǎn)生少量黑煙,當(dāng)前火炬放空量為0.358 8萬方/d,經(jīng)觀察火炬依然是偶爾產(chǎn)生黑煙,不過黑煙的量未有增大趨勢(shì)。

        JZ3油田根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,沒有黑煙現(xiàn)象。

        其他油田如S1油田現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也偶爾有黑煙問題,其天然氣組分中也發(fā)現(xiàn)重組分含量較高,平均含量超過6%,該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象的臨界值的研究是吻合的。

        4 海上油田火炬黑煙問題總結(jié)與對(duì)策

        4.1 天然氣組分問題

        除了“乙烷乙烯乙炔燃燒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析及其探討”一文對(duì)高含碳組分引起燃燒不充分這個(gè)認(rèn)識(shí)進(jìn)行否定外,從油田現(xiàn)場(chǎng)和其他研究人員的觀點(diǎn)看C3+重組分的存在帶來黑煙問題觀點(diǎn)是被普遍認(rèn)可的,從遼東作業(yè)區(qū)SZ36-1油田和JZ25-1油田的天然氣組分情況看都在6%以上,雖然當(dāng)前沒有比較確定的機(jī)理分析證明其內(nèi)在聯(lián)系,但是宏觀現(xiàn)象上卻證明了二者的關(guān)聯(lián)性,因此,從分離工藝角度減少放空天然氣中重組分的含量是一個(gè)重要手段。

        4.2 低放空量問題

        放空量較低情況下發(fā)生黑煙問題從現(xiàn)場(chǎng)的觀察印證了其客觀存在,一個(gè)解釋為排量越低出口速度低,因此與空氣混合也較慢,不利于充分燃燒;文獻(xiàn)[4]提到的充分燃燒所需“熱值”問題也是一個(gè)重要理由。

        對(duì)于放空量通常是難以控制的,因?yàn)槠脚_(tái)需要排放多少才燃燒多少,而不是需要燃燒多少反過來設(shè)計(jì)排放量。對(duì)于熱值不夠的問題,通過補(bǔ)充燃料提高反應(yīng)熱值應(yīng)該是一個(gè)可用的手段。

        4.3 中間產(chǎn)物乙炔問題

        從乙炔生成的條件看,天然氣燃燒過程中幾乎是無法避免(1 500 ℃),因此應(yīng)該從處理角度考慮,改善火炬頭設(shè)計(jì)缺陷,增加供氧能力是一個(gè)重要的手段,另外在黑煙無法避免條件下,改善火炬頭的除煙能力是另一個(gè)重要思路。

        4.4 黑煙問題應(yīng)對(duì)策略

        綜合文中的分析,黑煙問題的應(yīng)對(duì)從兩方面考慮,即預(yù)防和治理。預(yù)防主要通過分離工藝,治理主要從火炬頭結(jié)構(gòu)上,從供氧和除煙系統(tǒng)考慮。

        5 結(jié)語

        黑煙問題是天然氣放空火炬面臨的一個(gè)普遍現(xiàn)象,只有準(zhǔn)確把握其產(chǎn)生原因才有可能獲得合理治理措施,該文通過梳理天然氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程并結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)的觀察,指出了黑煙問題的解決對(duì)策,為油田現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙現(xiàn)象提供了有用的參考。

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